تساعد شركة الاندماج النووي الناشئة في تطوير الغواصات الشبح

في فيلم 1990 رحلة البحث عن أكتوبر الأحمر، قبطان بحري سوفيتي يلعب دوره شون كونري يقود غواصة مدعومة بـ “محرك مغناطيسي هيدروديناميكي” لا يمكن اكتشافه بواسطة السونار العسكري.

وبعد ربع قرن من الزمان، تدعم شركة توكاماك إنيرجي الناشئة في المملكة المتحدة برنامج وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة التابعة لوزارة الدفاع الأمريكية لجعل الدفع البحري الصامت حقيقة واقعة.

يعد التعاون مع داربا إحدى الطرق العديدة التي تسعى شركة الاندماج النووي من خلالها إلى تحقيق الدخل من عقد من العمل على مغناطيسات فائقة التوصيل ذات درجة حرارة عالية، والتي تقول إنها يمكن أن تحول القطاعات من النقل العام إلى التصوير الطبي.

وقال ليام برينان، مدير شركة TE Magnets، التي ستطلقها شركة Tokamak Energy رسميًا الأسبوع المقبل: “ما نريد القيام به هنا هو الدخول في عصر هيئة تحرير الشام”. “نريد إخراج تلك المغناطيسات إلى هناك وتشغيلها.”

انبثقت شركة توكاماك إنيرجي عن هيئة الطاقة الذرية في المملكة المتحدة في عام 2009، ويتمثل العمل الرئيسي لشركة توكاماك للطاقة في الاندماج النووي، حيث تتنافس الشركة التي يقع مقرها في أوكسفوردشاير مع حوالي 40 شركة أخرى في جميع أنحاء العالم لتكون أول من يطور محطة طاقة قادرة على إنتاج طاقة نظيفة قابلة للتطبيق تجاريًا عن طريق دمج نظائر الهيدروجين.

إن احتمال إعادة خلق التفاعل الذي يغذي الشمس قد أثار حيرة العلماء لعقود من الزمن. ولا ينتج عن التفاعل الخالي من الكربون نفايات مشعة طويلة العمر، ويمكن الحصول على النظائر بكميات كبيرة، كما أن كوبًا صغيرًا من الوقود لديه القدرة على تزويد المنزل بالطاقة لمئات السنين.

ولكن بعد 60 عامًا من التجارب، لم تتمكن أي مجموعة من إتقان التكنولوجيا، وليس هناك ما يضمن تحقيق حلم محطات توليد الطاقة الاندماجية.

يستخدم النهج الأكثر شيوعًا للاندماج المغناطيس لتعليق بلازما من نظيرين – عادة الديوتيريوم والتريتيوم – في جهاز يسمى توكاماك. يتم بعد ذلك تسخين النظائر إلى درجات حرارة قصوى أعلى بعشر مرات من مركز الشمس، ومن ثم تندمج النوى منتجة الهيليوم والطاقة.

الجيل الأول من المغناطيسات المستخدمة في التوكاماك التجريبية مثل JET في أوكسفوردشاير، والتي بدأت عملياتها في عام 1983، كانت مصنوعة من النحاس. وتستخدم المنشآت الأحدث، مثل شركة EAST الصينية، التي أنتجت أول بلازما لها في عام 2006، ما يسمى بمغانط الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة المنخفضة.

ستستخدم شركة Tokamak Energy مغناطيسات HTS المصممة خصيصًا والتي يتم جرحها من شريط مبتكر يمكنه توليد مجال مغناطيسي أقوى بكثير، في درجات حرارة أعلى، من مغناطيس LTS. المكون الحاسم في الشريط المغطى بالنحاس هو طبقة – يبلغ عرضها شعرة الإنسان تقريبًا – من مادة فائقة التوصيل من أكسيد النحاس الباريوم الأرضي النادر.

في حين يجب تبريد مواد LTS باستخدام الهيليوم السائل باهظ الثمن إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (ناقص 273 درجة مئوية)، يُظهر شريط ريبكو خصائص فائقة التوصيل عند درجة حرارة 200 درجة مئوية تحت الصفر تقريبًا، مما يجعل الأنظمة القائمة على HTS أرخص وأكثر قوة.

قامت شركة Tokamak Energy في عام 2019 ببناء واختبار أعلى مغناطيس HTS في العالم، وحققت رقمًا قياسيًا قدره 24 تسلا في درجة حرارة تقل عن 253 درجة مئوية. يمكن للمغناطيسات الموجودة في جهاز JET، الذي تم إيقاف تشغيله هذا العام، توليد مجالات مغناطيسية تصل إلى 4 تسلا فقط.

وقال برينان: “لقد أظهرنا من خلال مغناطيساتنا أنه يمكننا أن نجعلها موثوقة ومستقرة ومتسقة للغاية، وهذه هي نقطة التحول”. “لم يكن من الممكن القيام بذلك قبل سبع سنوات.”

يعد التقدم الذي حققته شركة Tokamak Energy في تكنولوجيا المغناطيس أمرًا حيويًا لخطط الاندماج الخاصة بها. في حين أن معظم التوكاماك الموجودة على شكل كعكة الدونات، إلا أنها تخطط لبناء واحدة كروية أكثر إحكاما، الأمر الذي سيتطلب أداء مغناطيس الآلة بأكبر قدر ممكن من الكفاءة.

وتهدف إلى بناء محطة تجريبية قادرة على توصيل الكهرباء إلى الشبكة في أوائل ثلاثينيات القرن الحالي. سوف يستخدم جهاز الاندماج القادم التابع لحكومة المملكة المتحدة، STEP، تصميمًا مشابهًا.

ولاختبار العلوم والهندسة في مغناطيساتها، قامت شركة Tokamak Energy ببناء جهاز تجريبي في منشأتها خارج أكسفورد. عند اكتماله هذا العام، سيبلغ ارتفاعه 3.2 مترًا وسيتضمن 44 ملفًا مغناطيسيًا من شريط HTS مرتبة في شكل كروي حول قلب مركزي. ستقوم الآلة بتكرار القوى المطلوبة في محطة توليد الطاقة الاندماجية، مما ينتج مجالًا مغناطيسيًا بقوة 18 تسلا، أي أقوى بحوالي مليون مرة من المجال المغناطيسي للأرض.

ومع ذلك، فإن التطبيقات المحتملة لمغناطيس HTS تمتد إلى ما هو أبعد من الاندماج. وقال برينان إن القدرة على العمل دون الحاجة إلى تبريد الهيليوم السائل المكلف والتحمل العالي للاهتزاز يجعل مغناطيس HTS مثاليًا للاستخدام في ماسحات التصوير بالرنين المغناطيسي في المستشفيات وغيرها من معدات التصوير العلمي التي تستخدم حاليًا مواد LTS. وقال إن التطبيقات الأخرى لصفات التوصيل الفائق لـ HTS يمكن أن تشمل أيضًا تقليص حجم المحركات الكهربائية للقطارات.

وقال إن برنامج داربا للدفع البحري يحتاج إلى مغناطيس HTS، لأنه يسعى إلى بناء محركات هيدروديناميكية مغناطيسية تنتج مجالات مغناطيسية تبلغ 20 تسلا.

والمحرك الوحيد الذي تم اختباره حتى الآن تم تطويره بواسطة شركة ميتسوبيشي اليابانية في التسعينيات ثم تم التخلي عنه. ولّد المحرك مجالًا مغناطيسيًا يبلغ حوالي 4 تسلا، مما أدى بنجاح إلى دفع قارب بطول 30 مترًا ولكن بسرعة 6.6 عقدة فقط (حوالي 12 كم/ساعة).

ومن خلال بيع خبرتها في مجال المغناطيس إلى شركات وصناعات الاندماج الأخرى، تقول شركة Tokamak Energy إنها تستطيع تخفيف متطلبات التمويل المستقبلية. جمعت شركات الاندماج في القطاع الخاص نحو 7 مليارات دولار من الاستثمارات حتى الآن، لكن جمع الأموال يمثل تحديًا طالما أن الإيرادات من طاقة الاندماج التجارية لا تزال على بعد عقد من الزمن على الأقل.

شركة Tokamak Energy، التي توظف حوالي 250 شخصًا، هي الآن في منتصف جولة تمويل أخرى بعد أن جمعت في السابق 250 مليون دولار من مستثمرين من القطاع الخاص ومنح حكومية. وقد تم إنفاق ما لا يقل عن 50 مليون دولار من هذا المبلغ على تطوير المغناطيس.

قال كريستيان لويس، المستشار العام للشركة: “إنها قصة استثمار صعبة للغاية لأن مستثمري رأس المال الاستثماري النموذجيين يبحثون عن عائد في فترة زمنية محددة، وتساعدنا أعمال المغناطيس في ذلك لأنه يمكننا بالفعل الإشارة إلى العائد”. .

وقد وقعت الشركة بالفعل عقودًا متعلقة بـ HTS مع العديد من العملاء، وتقدر أن TE Magnets يمكن أن تحقق إيرادات سنوية بقيمة 8 ملايين جنيه إسترليني في العام المقبل و300 مليون جنيه إسترليني سنويًا بحلول نهاية العقد.

وقال لويس: “مفتاح نموذجنا هو امتلاك تصميم المغناطيس”. “سواء قمنا بتصنيع المغناطيسات، أو تعاقدنا من الباطن على التصنيع مع شخص آخر، أو قمنا بتأجير الملكية الفكرية لشخص آخر، أو حتى قمنا بتأجيرها لشركة اندماج أخرى ليقوموا بتصنيعها بأنفسهم، فهي جميعها خيارات محتملة.”

الرسومات بواسطة إيان بوت